【文章內(nèi)容簡介】 2，C=℃4。由式（1）和式（2）可見，要確定電阻RT與溫度T 的關(guān)系，首先要確定R0的數(shù)值，R0值不同時(shí)，RT與T的關(guān)系不同。目前國內(nèi)同意設(shè)計(jì)的一般工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R0值有100歐姆和500歐姆兩種，并將電阻值RT與溫度T 的相應(yīng)關(guān)系同意列成表格，稱其為鉑電阻的分度秒度，分度號分別用Pt100和Pt500表示。鉑電阻在常用的熱電阻中準(zhǔn)確度最高，國際溫標(biāo)ITS90中還規(guī)定，~℃標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來使用。鉑電阻廣泛用于200~850℃范圍內(nèi)的溫度測量，工業(yè)中通常在600℃以下?？梢?，溫度越高非線性誤差越大，題目要求溫控范圍是32℃～37℃，溫度較低，可近似將其電阻值與溫度看作線性關(guān)系，而且在這么低的溫度下，電阻與溫度的關(guān)系不會(huì)改變。因此在本系統(tǒng)中選用面積只有一平方毫米，精度高，抗干擾能力強(qiáng)的鉑電阻溫度傳感器。 A/D的方案論證方案一：采用A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5532，它具有高動(dòng)態(tài)范圍、可編程輸出字速率和靈活的電源配置選項(xiàng)。其內(nèi)部有一個(gè)極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器，其增益可選擇為1X、2X、4X、8X、16X、32X。由于傳感器輸出信號比較小，分辨能力較低。 方案二：采用A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7710，它是一種雙通道、低電平差動(dòng)輸入、Σ △信號調(diào)理型的模/ 數(shù)變換器。它內(nèi)部含有可編程增益放大器(PGA) 、多路轉(zhuǎn)換器(MUX) 、電荷平衡模/ 數(shù)變換器、時(shí)鐘發(fā)生器、參考電壓源、串行接口。由于該芯片具有集成度高、非線性誤差小( %) 、分辨率高(21. 5 位) 、微控制器串行接口等特點(diǎn), 所以在稱重、熱電偶、應(yīng)變儀、RTD、過程控制、數(shù)據(jù)采集、微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求選擇A/D7710作為轉(zhuǎn)換芯片。 后向通道方案論證 PWM的方案論證[26]根據(jù)任務(wù)，本系統(tǒng)需完成對玻璃容器內(nèi)溫度變化的監(jiān)控，即控制電阻絲輸出功率來控制對容器內(nèi)空氣的加熱量大小來達(dá)到對容器內(nèi)空氣溫度變化的調(diào)整。所以需要精確的直流電源控制方案來控制電阻絲的輸出功率。方案一：　TL494脈寬調(diào)制TL494脈寬調(diào)制是電源中被廣泛用來構(gòu)成其他激式直流開關(guān)電源的專用器件，是直流開關(guān)電源中常用的脈寬調(diào)制器件。該器件既可調(diào)頻又可調(diào)脈寬，且其可調(diào)性強(qiáng)，工作區(qū)間大，可用他搭建不同的驅(qū)動(dòng)電路。由它構(gòu)成的半橋變換開關(guān)電源，體積小、重量輕，可應(yīng)用于其他各個(gè)領(lǐng)域，但硬件的價(jià)格比較貴。TL494的使用在帶來以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增加了產(chǎn)品的成本，所以不采用這種方案。方案二：數(shù)字脈寬PWM調(diào)溫采用全數(shù)字PWM脈寬調(diào)制控制，引入溫度反饋提高控制精度。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：（1）采用單片機(jī)可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)多種PWM控制方案，也可以采用如PID等智能控制方法。（2）由單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)控制脈沖，接口方便，成本很低，軟件上采取措施可以防止橋式變換器的直通現(xiàn)象，可靠性高。（3）采用閉環(huán)控制，提高控制精度。MOS管的柵極是絕緣的，屬于電壓驅(qū)動(dòng)，不需要電流，它的特點(diǎn)是功率高、開關(guān)速度較快，一般可用于功率開關(guān)或直流變換器。單片機(jī)輸出PWM，利用PWM產(chǎn)生高低電平來控制MOS管的G極，從而控制D極和S極之間的通斷，當(dāng)D極和S極導(dǎo)通時(shí)，電極正極接電源，負(fù)極接地。當(dāng)D極和S極斷開時(shí)，電極正極和電源相連，而負(fù)極通過二極管通向電容的正極，給二極管充電，形成回路。這樣就可以達(dá)到一種平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)PWM方波的占空比就可以調(diào)節(jié)電極兩端的電流，從而控制電阻絲的輸出功率。這種控制電極的方法使MOS管要么工作在飽和區(qū)，要么工作在截止區(qū)，有效的控制了MOS管的發(fā)熱量，從而增加穩(wěn)定性。綜合上述分析，經(jīng)過性能、可靠性、成本等論證，本系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用大功率MOS管，對電阻絲的輸出功率采用數(shù)字PWM脈寬調(diào)速PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù),根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn),到目前 為止主要有以下5類方法. 1 相電壓控制PWM VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的,通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓,該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡化了電路結(jié)構(gòu),提高了輸入端的功率因數(shù),但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量. 2 滯環(huán)比較法 這是一種帶反饋的PWM控制方式,即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器,得出相應(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài),動(dòng)態(tài)性能好,和其他方法相比,在同一開關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多. 3 三角波比較法 該方法與SPWM法中的三角波比較方式不同,這里是把指令電流與實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較,求出偏差電流,通過放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較,這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快. 4 預(yù)測電流控制法 預(yù)測電流控制是在每個(gè)調(diào)節(jié)周期開始時(shí),根據(jù)實(shí)際電流誤差,負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量,來預(yù)測電流誤差矢量趨勢,因此,若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息,則可獲得比較快速,這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性.5 空間電壓矢量控制PWM 空間電壓矢量控制PWM(SVPWM),以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān),把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制,使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通). PID控制算法的方案論證溫度控制器：采用PID模糊控制技術(shù) ，用先進(jìn)的數(shù)碼技術(shù)通過Pvar、Ivar、Dvar（比例、積分、微分）三方面的結(jié)合調(diào)整形成一個(gè)模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。 據(jù)了解，很多廠家在使用溫度控制器的過程中，往往碰到慣性溫度誤差的問題，苦于無法解決，依手工調(diào)壓來控制溫度。PID控制的原理和特點(diǎn)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的 創(chuàng)新采用了PID模糊控制技術(shù)，較好地解決了慣性溫度誤差的問題。傳統(tǒng)的溫度控制器，是利用熱電偶線在溫度化變化的情況下，產(chǎn)生變化的電流作為控制信號，對電器元件作定點(diǎn)的開關(guān)控制器。 傳統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件一般以電熱棒、發(fā)熱圈為主，兩者里面都用發(fā)熱絲制成。發(fā)熱絲通過電流加熱時(shí)，通常達(dá)到1000℃以上，所以發(fā)熱棒、發(fā)熱圈內(nèi)部溫度都很高。一般進(jìn)行溫度控制的電器機(jī)械，其控制溫度多在0400℃之間，所以，傳統(tǒng)的溫度控制器進(jìn)行溫度控制期間，當(dāng)被加熱器件溫度升高至設(shè)定溫度時(shí)，溫度控制器會(huì)發(fā)出信號停止加熱。但這時(shí)發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內(nèi)部溫度會(huì)高于400℃，發(fā)熱棒、發(fā)熱圈還將會(huì)對被加熱的器件進(jìn)行加熱，即使溫度控制器發(fā)出信號停止加熱，被加熱器件的溫度還往往繼續(xù)上升幾度，然后才開始下降。當(dāng)下降到設(shè)定溫度的下限時(shí)，溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時(shí)候，這就要視乎發(fā)熱絲與被加熱器件之間的介質(zhì)情況而定。通常開始重新加熱時(shí)，溫度繼續(xù)下降幾度。所以，傳統(tǒng)的定點(diǎn)開關(guān)控制溫度會(huì)有正負(fù)誤差幾度的現(xiàn)象，但這不是溫度控制器本身的問題，而是整個(gè)熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問題，使溫度控制器控溫產(chǎn)生一種慣性溫度誤差。 要解決溫度控制器這個(gè)問題，采用PID模糊控制技術(shù)，是明智的選擇。PID模糊控制，是針對以上的情況而制定的、新的溫度控制方案，用先進(jìn)的數(shù)碼技術(shù)通過Pvar、Ivar、Dvar三方面的結(jié)合調(diào)整，形成一個(gè)模糊控制，來解決慣性溫度誤差問題。然而，在很多情況下，由于傳統(tǒng)的溫度控制器溫控方式存在較大的慣性溫度誤差，往往在要求精確的溫控時(shí)，很多人會(huì)放棄自動(dòng)控制而采用調(diào)壓器來代替溫度控制器。當(dāng)然，在電壓穩(wěn)定工作的速度不變、外界氣溫不變和空氣流動(dòng)速度不變的情況下，這樣做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的環(huán)境因素是不斷改變的，同時(shí)，用調(diào)壓器來代替溫度控制器時(shí)，必須在很大程度上人力調(diào)節(jié)，隨著工作環(huán)境的變化而用人手調(diào)好所需溫度的度數(shù)，然后，相對穩(wěn)定的電壓來通電加熱，勉強(qiáng)運(yùn)作，但這決不是自動(dòng)控溫。當(dāng)需要控溫的關(guān)鍵很多時(shí)，就會(huì)手忙腳亂。這樣，調(diào)壓器就派不上用場，因?yàn)?，人手不能同時(shí)調(diào)節(jié)那么多需要溫控的關(guān)鍵，只有采用PID模糊控制技術(shù)，才能解決這個(gè)問題，使操作得心應(yīng)手，運(yùn)行暢順。例如燙金機(jī)，其溫度要求比較穩(wěn)定，通常在正負(fù)2℃以內(nèi)才能較好運(yùn)作。高速燙金機(jī)燙制同一種產(chǎn)品圖案時(shí)，隨著速度加快，加熱速度也要相應(yīng)提高。這時(shí)，傳統(tǒng)的溫度控制器方式和采用調(diào)壓器操作就不能勝任，產(chǎn)品的質(zhì)量就不能保證，因?yàn)闋C金之前必須要把燙金機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)適當(dāng)，用速度來遷就溫度控制器和調(diào)壓器的弱點(diǎn)。但是，如果采用PID模糊控制的溫度控制器，就能解決以上的問題，因?yàn)镻ID中的P，即Pvar功率變量控制，能隨著燙金機(jī)工作速度加快而加大功率輸出的百分量。 人機(jī)接口的方案論證數(shù)據(jù)處理部分的外部設(shè)備有顯示器、打印機(jī)及面板上操作按鍵等。這里人對機(jī)器的控制是通過各功能按鍵進(jìn)行的，而機(jī)器對人報(bào)告其運(yùn)行狀態(tài)及試驗(yàn)結(jié)果是通過顯示器、打印機(jī)實(shí)現(xiàn)的。一、鍵盤鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。一個(gè)安全可靠的控制系統(tǒng)通常具有方便的交互功能，操作人員可以通過外設(shè)鍵盤靈活地輸人各種參數(shù)以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行，掌握系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在一些復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)中，為準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障定位，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)在程序中加入一些用于系統(tǒng)定位的代碼。一種簡便的做法便是額外設(shè)置幾個(gè)按鍵，通過按鍵的組合以及顯示狀態(tài)的不同來判定系統(tǒng)的工作狀況，以便及時(shí)了解系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障，可以在最短的時(shí)間內(nèi)找出故障原因，及時(shí)恢復(fù)。所以可以這樣認(rèn)為:鍵盤是單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的紐帶和橋梁。二、數(shù)碼管顯示LED數(shù)碼管分共陽極與共陰極兩種，其工作特點(diǎn)是，當(dāng)筆段電極接低電平，公共陽極接高電平時(shí)，相應(yīng)筆段可以發(fā)光。共陰極LED數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)短接后作為公共陰極。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號為高電平、?端接低電平時(shí)，才能發(fā)光。LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色以及光輻射純度，也反映出半導(dǎo)體材料的特性。常見管芯材料有磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氮化鎵(GaN)等，其中氮化鎵可發(fā)藍(lán)光。發(fā)光顏色不僅與管芯材料有關(guān)，還與所摻雜質(zhì)有關(guān)，因此用同一種管芯材料可以制成發(fā)出紅、橙、黃、綠等不同顏色的數(shù)碼管。其它顏色LED數(shù)碼管的光譜曲線形狀與之相似，僅入，值不同。LED數(shù)碼管的產(chǎn)品中，以發(fā)紅光、綠光的居多、這兩種顏色也比較醒目。LED數(shù)碼管等效于多只具有發(fā)光性能的PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注人及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光，其伏安特性與普通二極管相似。在正向?qū)ㄖ?，正向電流近似于零，筆段不發(fā)光。當(dāng)電壓超過開啟電壓時(shí)，電流就急劇上升，筆段發(fā)光。因此，LED數(shù)碼管屬于電流控制型器件，其發(fā)光亮度L(單位是cd／m2)與正向電流IF有關(guān)，用公式表示：L=KIF即亮度與正向電流成正比。LED的正向電壓U，則與正向電流以及管芯材料有關(guān)。使用LED數(shù)碼管時(shí)，工作電流一般選10mA左右／段，既保證亮度適中，又不會(huì)損壞器件。三、打印機(jī)目前，市場上主要有9針和24針兩種針式打印機(jī)。9針的不配漢字庫，其基本功能是打印字母和數(shù)字符號，若要用它打印1616點(diǎn)陣組成的簡易漢字，只能在圖形方式下打印，打印時(shí)必須分兩次進(jìn)行，即第一次打印一行漢字的上半部分8個(gè)點(diǎn)，第二次打印該行漢字的下半部分8個(gè)點(diǎn)，上下兩部分拼成一行完整的漢字。顯然，打印漢字的速度很低；若要用它打印2424點(diǎn)陣組成的漢字，則一行完整的漢字至少需要3次打印才能完成，打印速度更慢。 按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對“漢字針式打印機(jī)”的定義是：打印頭橫向打印一次就能打出一種或幾種符合國際漢字字形點(diǎn)陣要求的打印機(jī)。目前，市場上流行的24針打印機(jī)就能一次打出2424點(diǎn)陣組成的漢字第三章 硬件設(shè)計(jì) 該水溫控制系統(tǒng)主要由AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)、前向通道（鉑電阻溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器）、后向通道（PID控制算法，PWM脈寬調(diào)制和功率驅(qū)動(dòng)）電路等四部分組成，其總體設(shè)計(jì)框圖如上圖所示。 主控模塊 AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)下位機(jī)采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，完成下位機(jī)的控制工作。AT89C51是美國Atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的8位CMOS微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用Atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其主要性能參數(shù)如下： 與MCS51產(chǎn)品指令完全兼容 4K字節(jié)可擦除閃爍存儲器 1000次寫/擦周期 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz24MHz 三級程序存儲器鎖定 1288位內(nèi)部RAM 32個(gè)可編程I/O 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。